Особый интерес представляет собой данные об удельной стоимости отдельных мероприятий по снижению вредных выбросов дизелей, с отработавшими газами, собранные автором из различных источников и представленных графически на рисунке 1.
Рисунок 1. Эффективность и стоимость мероприятий по снижению выбросов NOX и сажи дизелями
Здесь кривая 11 - относится к оксидам азота, а кривая 10- к твердым частицам. Цифрами 1…9 отмечены поля разброса стоимостей и снижения выбросов в процентах при этом: 1 - подбор сортов топлива; 2 - регулировки топливной аппаратуры; 3 - дефорсирование дизелей по среднему эффективному давлению; 4 - организация рабочего процесса за счет улучшения смесеобразования; 5 - повышение давления впрыска топлива; 6 - применение насос-форсунок с электрогидравлическим приводом; 7 - применение аккумуляторных топливных насосов; 8 - применение сажевых фильтров; 9 - применение каталитических нейтрализаторов. В результате анализа конструктивных элементов каталитических нейтрализаторов был сделан вывод о том, что к настоящему времени сформирована основная концепция устройств, обеспечивающих нейтрализацию отработавших газов. Комплекс элементов, обеспечивающих функционирование устройств для каталитической очистки ОГ включает в себя, как минимум, следующие элементы: сажеуловитель, устройства для улавливания оксидов азота, устройства для подогрева отработавших газов на режимах малых нагрузок и холостого хода, блоки с катализаторами для окисления продуктов неполного сгорания, устройства для улавливания излишнего кислорода из состава ОГ для дизелей перед восстановлением окислов азота, блоки с катализаторами для восстановления окислов азота, системы регулирования подогрева и подачи газов в зоны реакций, системы регенерации, тепловой изоляции и сигнализации исправности нейтрализаторов. Каталитические нейтрализаторы используемые в настоящее время в качестве технических средств снижения токсичности ОГ ДВС отвечают не в полной мере требованиям по тепловым и гидравлическим характеристикам.
Как показывает анализ научной литературы и практика недостатками применяемых технических средств для дизелей в большинстве случаев являются сложная конструкция и высокая стоимость, большое газодинамическое (гидравлическое) сопротивление и снижение их эффективности из-за плохого тепломассообмена.
Выполнение жестких норм по токсичности («Euro-4» и «Еuro-5») дизельными двигателями в основном возможно только при одновременном применении двух и более средств на одном двигателе, т.е. внедрении комплексных систем очистки ОГ. На данном этапе недостаточно исследованы вопросы, связанные с моделированием рабочих процессов в средствах очистки ОГ при одновременном использовании нескольких методов, их оптимизацией и оптимальным управлением. Это обстоятельство диктует необходимость проведения дальнейших теоретических и экспериментальных исследований в данной области.
Во втором разделе приводятся теоретические основы образования токсичных компонентов в цилиндре дизеля и создание математической модели. На основании анализа и расчетно-теоретического исследования был выявлен механизм реакций, наиболее полно описывающий процесс образования оксида азота в условиях сгорания в дизеле. Образование оксидов азота не является результатом процесса сгорания, а количество их выхода зависит от температуры процесса, окисление азота происходит за фронтом пламени в зоне продуктов сгорания, т.е. после завершения окислительных реакций. Выход оксидов азота далее зависит от скорости охлаждения или «закалки» продуктов сгорания.
При математическом моделировании процесса сгорания и образования оксидов азота в цилиндре дизеля с использованием двухзонной модели объем цилиндра условно разделяют на две зоны: зону свежей смеси и зону продуктов сгорания. Зона свежей смеси представляет собой смесь остаточных газов с воздухом, поступившим в цилиндр при наполнении. В ходе сгорания, протекающего с локальным коэффициентом избытка воздуха бг, происходит увеличение зоны продуктов сгорания. При этом предполагается отсутствие тепломассообмена между зонами, а также однородность по температуре и составу зоны продуктов сгорания на каждом участке времени. При расчете температур в зоне продуктов сгорания учитываются потери тепла вследствие диссоциации и неполного сгорания. Для расчета процесса образования NO концентрации атомарного кислорода О и азота N определяются из условия равновесия компонентов на каждом шаге расчета. Определение давлений, средних температур газа в цилиндре, в зоне продуктов сгорания и свежей смеси осуществляется при помощи системы из четырех уравнений:
ДQi = ДU + ДL; (1)
pV = MRT; (2)
Hсм (Т) * Мсм + Нnc (Т) * Мnc = Нnc (Тnc)) *Мnc + Hсм (Тсм) * Мсм; (3)
Тсм = Тнг *; (4)
где Мсм и Мпс - масса свежей смеси и продуктов сгорания соответственно, Н см и Нпс - энтальпия в зоне свежей смеси и продуктов сгорания, Тсм - температура свежей смеси, рнг и Тнг - температура в цилиндре дизеля на момент начала горения, k - показатель политропы сжатия.
Количество подведенной к рабочему телу теплоты вычисляется по уравнению:
ДQi =ДQ - ДQw -ДQдис, (5)
где теплота, выделившаяся на участке расчета при сгорании доли топлива Дх:
ДQ = Нu * В * Дх, (6)
Общие потери теплоты на диссоциацию к концу участка расчета:
Qдис = Мnc х (QСО * rCO + QH2 + r H2 + QOH * rOH). (7)
Уточненное значение потерь теплоты на диссоциацию на участке расчета:
ДQдис = Qдис2 - Qдис1; (8)
где Qдис1 - общие потери теплоты на диссоциацию к началу участка расчета.
Изменение внутренней энергии:
ДU = Д (М * СVМ * Т) = М; (9)
Работа, совершаемая газом, определяется по уравнению:
ДL= * ДV; (10)
Температура продуктов сгорания рассчитывается исходя из уравнения
Тnc = ; (11)
где А и В-коэффициенты уравнения для энтальпии продуктов сгорания вида
Н(Т) = А * Т2 + В * Т + С
(коэффициенты А, В и С определяются в результате специальных расчетов, в данном случае: А = 9,65998 *10-4; В = 35,4882+0,0472833 * Р).
При выборе этих коэффициентов также учитывалось влияние изменения состава продуктов сгорания вследствие диссоциации при различных температурах; rnc - доля «чистых» продуктов сгорания вследствие:
rnc = ; (12)
Для определения NO рассчитывается объемная доля оксидов азота (rNOобр) в продуктах сгорания, образовавшихся на участке расчета (ДМпс), и изменение доли оксидов азота (ДrNO) в основной зоне продуктов сгорания (Мпс).
Общее количество NO в зоне продуктов сгорания определяется по формуле:
rNO = ; (13)
Расчеты, проведенные при использовании разработанной математической модели показали, что наиболее перспективным направлением снижения выбросов оксидов азота в дизелях является организация гомогенного процесса смесеобразования и сгорания. На основе численных экспериментов, проведенных в условиях, при которых образуется основной процент NО в дизеле (Т=2400-2800 К, б=0,8-1,2, Р=6-10 МПа, =4 мс (ц=24°пкв при n=1000 мин-1)), был выполнен анализ образования оксидов азота по «термическому», «быстрому» и «N20» механизмам. В результате было установлено, что основная часть NО образуется в продуктах сгорания по «термическому» механизму Я.Б. Зельдовича. Формирование «быстрых» NО происходит в зоне горения на очень коротком отрезке времени <10-50 мкс, когда в смеси присутствуют радикалы СН, играющие основную роль в данном механизме. Вкладом механизма «N2O» в условиях дизеля можно пренебречь.
Дана количественная оценка выхода «быстрых» оксидов азота для современного дизеля. Показано, что их образование очень слабо зависит от режима работы и воздействий на рабочий процесс, а концентрация в отработавших газах на выходе из дизеля находится в диапазоне 100-160 ррm.
Для описания кинетики образования «быстрых» NО при сгорании углеводородных топлив была разработана методика составления детальных кинетических механизмов горения сложных углеводородов. С ее помощью были составлены кинетические механизмы образования оксидов азота при сгорании дизельного топлива и диметилового эфира.
Проведен анализ факторов эксперимента, влияющих на точность расчетов NO при оценке адекватности математической модели образования оксидов азота. Показано, что при проведении идентификации модели особое внимание необходимо уделить точности определения степени сжатия двигателя, поскольку ошибка определения данного параметра на 5% может привести к неточности вычисления NO до 20%.
Проведена проверка адекватности разработанной математической модели путем сопоставления расчетных и экспериментальных данных, полученных при проведении стендовых исследований дизелей, работающих как на традиционном дизельном топливе, так и на диметиловом эфире. Расхождение расчетных концентраций NO с экспериментальными не превышает 10%.
Расчеты, проведенные при использовании разработанной математической модели, показали, что наиболее перспективным направлением снижения выбросов оксидов азота в дизелях является организация гомогенного процесса смесеобразования и сгорания. При обеднении топливовоздушной смеси уменьшение образования оксидов азота по «термическому» механизму происходит из-за снижения температуры в зоне продуктов сгорания, а «быстрых» - из-за снижения концентрации и времени существования радикалов СН. Выход «быстрых» NO уменьшается не так сильно, поэтому их относительный вклад увеличивается, а при б=1,8 - является определяющим. Для дальнейшего уменьшения образования «быстрых» NO в гомогенных дизелях необходимо использовать альтернативные топлива с меньшим числом атомов углерода в молекуле, так как при их сгорании уменьшается выход радикалов СН. Например, при сгорании диметилового эфира в цилиндре дизеля при б=1,8 оксидов азота образуется в 4 раза меньше, чем при сгорании дизельного топлива.
В третьем разделе описывается моделирование процессов протекающих в каталитическом нейтрализаторе. Для анализа были выбраны широко применяемые на практике нейтрализаторы с параллельным расположением проточных каналов и каталитического слоя. Поэтому в задаче по оценке гидравлических потерь аэродинамика играет ведущую роль, так как от правильной организации её зависит функциональная эффективность аппарата. А также явления тепломассообмена с химическими превращениями находятся в прямой зависимости от распределения реагента по фильтрационному слою. При неудачной раздаче газа по каталитическому слою одна часть последнего не будет «работать» ввиду отсутствия фильтрации реагирующей смеси, а другая, наоборот, будет перегружена и не сумеет полностью нейтрализовать ОГ, протекающие с повышенные скоростями.
Задача состоит в том, чтобы найти распределение газа по каталитическому слою в зависимости от геометрии устройства, схемы ввода и вывода газов из аппарата, тепломассообмена в слое и на поверхностях контакта с окружающей средой. Наличие такой математической модели и на основе его созданный приближенный метод инженерного расчета автомобильного нейтрализатора позволяет указать наиболее приемлемые условия работы конкретного аппарата и вести управление выбросами вредных веществ. В аэродинамическом отношении он базируется на представлениях неизотермичности процессов, а в термохимическом - на теории равнодоступной поверхности, применительно к нейтрализации ОГ в неподвижном зернистом слое. В диссертации рассмотрен стационарный режим работы нейтрализатора, представляющего собой три коаксиальные трубы. Стенки внутренней - радиуса r1 и средней - радиуса r2 перфорированы, полость между ними заполнена зернистым катализатором. Ввиду того, что конец внутренней LН заглушен, весь поступающий поток газа фильтруется через зернистый слой катализатора, попадает в кольцевой зазор (между трубами r2 и r3) и выбрасывается в атмосферу. Движение газа в проточных каналах описывается уравнениями Навье-Стокса, сопротивление же зернистого слоя - законом Дарси.
В результате получим искомое уравнение движение газа в радиальном нейтрализаторе при наличии тепловыделения:
(15)
где дополнительно к введенным ранее коэффициентам А, В, З(х), З1(х), ш1(х), ш2(х), К1, D, E имеются следующие коэффициенты:
(16)
В коэффициенты уравнения движения (15), описывающего неизотермическое движение газа в нейтрализаторе, входят значения температур. Следовательно, решение этого уравнения должно проводиться совместно с уравнениями тепломассообмена в нейтрализаторе. Уравнения тепломассообмена в радиальном нейтрализаторе содержат кондуктивные и конвективные составляющие переноса массы и тепла, а также источниковые члены, характеризующие химические превращения: сток реагирующего вещества и выделенные тепла в результате экзотермической химической реакции в объеме каталитического слоя (на примере окисления СО).
Таким образом, исследуется установившееся течение вязкого сжимаемого газа с тепловыделением в результате химической реакции, протекающей во внешнедиффузионной области:
(17)
Задача решается при следующих граничных условиях:
,